Трубопроводы большого диаметра

Дата публикации или обновления 18.05.2019

В общем объеме производства топливно-энергетических ресурсов природный газ ныне прочно занял второе место после нефти, а вместе с нею обеспечивает три четверти всех потребностей нашего народного хозяйства в топливе.

По темпам роста добычи с газом не может сравниться ни один вид топлива. Так, с 1961 по 1980 год добыча газа в СССР увеличилась почти в 10 раз, нефти — в 4,2, угля — в 1,5 раза.

За последние 15 лет значительно изменилась география добычи газа. Месторождения европейской части страны не могли уже обеспечить прирост добычи газа, и поэтому центр ее пришлось переместить в районы Западной Сибири, где сосредоточены природные запасы и нефти и газа.

Доля газа, добываемого в европейской части страны, сократилась с 71,5% в 1965 году до 17% в настоящее время, а Западная Сибирь, которая еще в начале девятой пятилетки давала лишь 12% всего добываемого в стране газа, сейчас дает более 36%.

Основные потребители газа расположены в центре и на западе СССР, поэтому такое изменение в географии его добычи привело к значительному увеличению протяженности газопроводов, которая достигает теперь нередко нескольких тысяч километров. До 1420 мм увеличился диаметр трубопроводов; выросло также давление газа до 75 атмосфер (7,5 МПа; 1 МПа — мегапаскаль — 10 атмосфер).

Как же все это сказалось на производительности магистралей?

По газопроводу с трубами диаметром 720 мм и давлением газа 5,6 МПа, а лет десять назад 65% наших газовых артерий были именно такими, за год проходит до 10 миллиардов кубометров газа. С переходом на трубы диаметром 1420 мм и на давление 7,5 МПа производительность магистрали достигла 30—35 миллиардов кубометров, при этом более чем в 2 раза сократилась себестоимость перекачки газа.

Ясно, что если бы не был сделан такой скачок, то сегодня пришлось бы при тех же масштабах добычи строить в 3—4 раза больше ниток газовых магистралей.

Стратегия развития

В планах развития экономики нашей страны и на ближайшую перспективу предусматриваются высокие темпы прироста добычи газа.

Данные о его запасах в месторождениях Западной Сибири говорят о том, что она еще долго будет оставаться нашей основной нефтегазодобывающей базой. В одиннадцатой пятилетке отсюда надо будет транспортировать сотни миллиардов кубометров газа на огромные расстояния. Предстоит прокладывать трубопроводы на севере, в тундре, через реки, болота и топкие озера, в неустойчивых грунтах, в зонах вечной мерзлоты, вести строительство в условиях продолжительной и суровой зимы, короткого и дождливого лета.

Если строить магистрали, годовая производительность одной нитки которых 30—35 миллиардов кубометров, то нам придется почти ежегодно вводить в эксплуатацию один газопровод (из двух ниток) протяженностью 3—3,5 тыс. км с диаметром труб 1420 мм и давлением 7,5 МПа. Строительство такой магистрали обходится в несколько миллиардов рублей!

Какой же должна быть стратегия развития трубопроводного транспорта, чтобы уменьшить огромные материальные и трудовые затраты?

Ответ очевиден. Необходимо дальнейшее повышение производительности газовой магистрали. Другого пути нет. Ведь альтернатива такому решению одна: прокладка дополнительного числа ниток параллельных газопроводов.

Реальные возможности

Итак, стоит проблема — повышать производительность газопровода, его пропускную способность. Казалось бы, самое простое — увеличивать диаметр труб. Действительно, это весьма эффективный способ: скажем, сделаем трубу в три раза большего диаметра, и примерно в девять раз повысится пропускная способность.

По пути увеличения диаметра труб советская газовая промышленность продвигалась весьма интенсивно: 200 мм диаметр первой нашей газовой магистрали — и 1420 мм сооружаемых сегодня.

Трубопроводы такого большого диаметра Советский Союз начал строить первым в мире.

Опыт сооружения газопроводов и технико-экономические расчеты убеждают в том, что на сегодня уже достигнут оптимальный диаметр труб и дальнейшее его увеличение пока нецелесообразно. Возникли бы значительные трудности при строительстве, нужна была бы новая более мощная техника для перевозки труб, укладки их и изоляции, новые станки для гнутья, другая арматура, иные соединительные детали. Словом, пришлось бы практически полностью перевооружить целую отрасль промышленности.

Другая возможность — увеличить такой технологический параметр газопровода, как давление перекачки. В свое время мы перешли на давление в 7,5 МПа. Но всех резервов пока не исчерпали.

Целесообразно еще поднять давление: до 10—12 МПа. Это окажется особенно эффективным, если сочетать увеличение давления газа с его охлаждением. При снижении температуры газа уменьшается его объем, а это тоже повышает производительность газопровода.

Если сравнить трубопровод диаметром 1420 мм, работающий с неохлажденным газом при давлении 7,5 МПа, с таким же трубопроводом по диаметру, но перекачивающим умеренно охлажденный газ (примерно — 20°С) шод давлением 12 МПа, то окажется, что производительность последнего будет примерно в два раза больше.

Это, конечно, огромный эффект: отпадает необходимость в сооружении второй, нитки газопровода.

Центральная проблема

Магистральный газопровод представляется простым техническим сооружением: проложены трубы, и по ним газ подается потребителям. Правда, из-за того, что поверхность стенок трубопровода не идеальной чистоты, газ при движении тормозится, теряет часть своей энергии, и приходится на трассе газопровода примерно через каждые 100 км ставить компрессорные станции, «подбадривающие» газ.

Но при столь внешней конструктивной простоте газовые магистрали — весьма трудный объект с точки зрения обеспечения надежности. И, конечно, это прежде всего относится к трубам. На участке магистрали между двумя компрессорными станциями под землей находится стокилометровый стальной цилиндр, в котором запасено огромное количество энергии — более 10 миллионов кубометров газа под высоким давлением. И этот газ стремится разорвать трубу, вырваться наружу. Протяженность таких подземных аккумуляторов энергии — тысячи километров. Приходится учитывать и то, что газопроводы работают в суровых климатических и gочвенно-гидрологических условиях, когда угроза разрушения от колебаний температур, коррозии становится особенно сильной.

Положение усугубляется еще и тем, что зарытый в землю трубопровод нет возможности осмотреть, освидетельствовать с помощью приборов. Значит, нельзя обнаружить каких-либо дефектов в металле на стадии их зарождения.

Маленький вначале дефект — трещина распространяется по трубопроводу со скоростью звука и может разорвать его иногда даже в клочья или развернуть в лист. Такие лавинные повреждения могут охватывать сотни и тысячи метров магистрали, сопровождаться взрывами, пожарами, загрязнением окружающей среды. Аварии и вынужденные остановки в работе газопровода ведут к потерям газа.

Непросто и устранить последствия аварии, особенно если трасса пролегает на севере, в сильно заболоченной местности, куда по бездорожью надо оперативно доставить трубы, всевозможную технику.

Традиционный путь

Проблема надежности трубопровода сегодня центральная. Переход к более высоким давлениям газа делает ее еще сложнее.

Силы, действующие на трубопроводы, таковы, что если в нем возникнет трещина, то независимо от прочности металла она обязательно разовьется и вызовет разрушение. Поэтому нужна сталь, сочетающая высокую прочность с вязкостью, которая должна сохраняться и при низких рабочих температурах. Тогда разрушение, если оно и появится, не будет хрупким и распространится не на сотни и тысячи метров, а ограничится метрами, десятками метров.

Почему так происходит? И подходит ли для сооружения трубопровода труба из нержавеющей стали? Ответом может служить следующая схематическая картина.

В трубопроводе появилась трещина. Из-за наступающего разрушения начинает падать давление газа, уменьшаются и напряжения в металле. Если сталь достаточно пластична, то трещина как бы вязнет в ней, лишенная необходимых для своего развития напряжений. Когда же вязкость стали мала, напряжения в ней падают медленнее, чем развивается трещина, и избыточная энергия, накопленная в газе и металле, расходуется на распространение разрушения, которое носит хрупкий характер и оказывается весьма протяженным.

Наряду с высокой прочностью и вязкостью сталь должна еще хорошо свариваться, сохраняя это свойство и при низких температурах. Ведь сварка — главный технологический процесс при сооружении газопровода.

Таким требованиям лучше всего удовлетворяет низкоуглеродистая сталь с добавками ниобия и молибдена. Но одного легирования еще недостаточно. Чтобы из слитка получить лист нужной толщины и с требуемыми свойствами, из которого будет формоваться труба, приходится прибегать к особому виду обработки: на стане контролируемой прокатки. Суть этого процесса в том, что очень точно выдерживаются температурные интервалы промежуточных пропусков листа через валки стана, конца прокатки и величина последнего обжатия. Это позволяет получить металл с такой структурой и размером зерен, которые и обеспечивают необходимый комплекс свойств.

По принятой у нас технологии трубы для газопровода диаметром 1420 мм и давлением 7,5 МПа изготовляют из листов толщиной 16—20 мм.

С помощью валковой формовки или на мощном прессе, развивающем усилие около 50 тыс. т, из листов получают полуцилиндры. Затем две половинки сваривают в трубу: нет у нас еще стана, который мог бы прокатать лист шириной 4,5 м, чтобы из него сразу можно было отформовать трубу диаметром 1420 мм (она была бы тогда, естественно, одношовной).

Разделить, чтобы умножить

Подведем некоторый итог. Сталь, из которой приходится делать трубы диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа, сегодня остродефицитная и дорогая. Изготовить из нее лист требуемых свойств можно только с помощью контролируемой прокатки. Заметим, что таких станов во всем мире насчитываются единицы; у нас их тоже мало.

Вообще отечественная металлургия пока еще не освоила производство требуемого листа в достаточном объеме, и приходится либо его, либо трубы из него покупать за рубежом, а одна двенадцатиметровая труба диаметром 1420 мм на мировом рынке стоит около трех тысяч долларов.

А теперь вернемся к основному вопросу: как же осуществить переход на еще более высокие давления — на 10 и 12 МПа?

Ведь это наиболее целесообразная перспектива развития газовой индустрии. Идти традиционным путем? Но тогда понадобятся трубы с еще более толстой стенкой — до 35 мм. Такие трубы будут значительно тяжелее, существенно увеличится расход дорогой стали, понадобятся прессы-гиганты для их формовки.

Это приведет к тому, что рост стоимости труб и оборудования будет опережать увеличение производительности газопровода.

Ясно, что надо было искать другое решение.

Новый способ разработал Институт электросварки имени Е. О. Патона Академии наук Украины. Он принципиально отличается от традиционного: труба делается не монолитной из толстого листа, а многослойной из относительно тонкой рулонной стали. Используется для этого не остродефицитная дорогая ниобиевая сталь, а низколегированная, производство которой освоено отечественной металлургией.

Какая же идея положена в основу этого способа?

Металлургам хорошо известно, что если взять одинаковые стальные заготовки, скажем, слиток, разделенный на две части, а затем одну из них прокатать до толстого листа, а другую выкатать в тонкий лист, то последний будет более прочным и более пластичным. При этом чем тоньше лист, тем ниже температура, при которой он сохраняет вязкость. Словом, весь комплекс свойств, столь важных для обеспечения надежной эксплуатации трубопровода, у тонкой стали лучше, чем у толстой.

Теперь наберем пакет (многослойная конструкция) из тонких листов. Он сохранит все преимущества тонкого листа — больше прочность, больше вязкость. Свойства каждого слоя не зависят от суммарной толщины конструкции. Значит, можно получать стенку с любой заданной прочностью и вязкостью. При этом необходимая прочность будет достигнута при меньшей толщине, чем в случае монолитного металла.

Таким образом, разделив толщу металла на слои, мы тем самым умножили его прочность и вязкость.

Над многослойными трубами не висит угроза лавинного, хрупкого разрушения.

Это очень важно, особенно для газопроводов в северных районах страны. Если авария и возникнет, устранить ее будет гораздо проще и быстрее.

Проблемой борьбы с вязкими разрушениями большой длины занимаются во многих странах мира. Одно из сложившихся в последнее время направлений — создание всевозможных ловушек. Они врезаются в магистраль из монолитных труб и должны поймать трещину, задержать развитие разрушения. И для этой цели многослойная конструкция может оказаться весьма эффективной. В нашем институте такие ловушки созданы и проводятся их натурные испытания.

Ещё один итог

Многослойные трубы позволят сравнительно просто решать проблему перехода к сооружению магистралей на более высокие давления, достигая это увеличением числа слоев. Важно, что заготовка при любой толщине трубы остается одной и той же — стальная лента толщиной 4—5,5 мм.

У трубы диаметром 1420 мм и на давление 7,5 МПа число слоев будет 4—5, при 10 МПа — 4—6, при 12 МПа — 5—7 и т. д.

Можно пойти и по такому пути: изготавливать многослойные трубы с теми же прочностными характеристиками, что у труб со сплошной стенкой. А так как для этой цели будет взята не ниобиевая дорогая сталь, а низколегированная, более дешевая, то и стоимость труб, сохранивших заданную прочность, окажется существенно меньше.

Как же получают трубу с многослойной стенкой?

Для этого на барабан, наружный диаметр которого должен быть равным внутреннему диаметру будущей трубы, наматывают стальную ленту; число витков определяют в зависимости от требуемой прочности. Закрепляют слои сваркой.

Производительность намотки достаточно высока, а это непременное условие для такого массового процесса, как изготовление труб.

Необходимо, чтобы длина многослойных труб была бы, как и монолитных, в пределах 12 м, иначе их затруднительно перевозить по железной дороге. Ширина рулонной стали определяется возможностями станов непрерывной прокатки. К сожалению, станов, которые могли бы прокатывать полосу шириной 12 м, нет. Поэтому приходится собирать такую трубу из отдельных цилиндрических заготовок — обечаек, ширина которых (и рулона тоже) 1,7 м — почти кратная 12 (1,7 х 7 = 11,9).

Станы непрерывной прокатки отличаются очень высокой производительностью, и поэтому легко удовлетворять потребность в исходной заготовке. Так, стан непрерывной прокатки «2000» Череповецкого металлургического завода за год дает 6 млн. т рулонной стали.

Подведем теперь еще один итог. Из низколегированной рулонной стали (а не из ниобиевой), получаемой традиционной прокаткой на высокоскоростных станах (а не контролируемой), можно на одном и том же оборудовании без его перенастройки, простым высокопроизводительным технологическим приемом — намоткой (а не на уникальных прессах) изготовлять многослойные трубы, прочность и пластичность которых регулируется числом слоев.

Итак, создание труб с многослойной стенкой, которые отличаются высокой стойкостью против хрупких и вязких разрушений и стоимость тонны которых при увеличении толщины стенки не возрастает, открывает дорогу повышению давления в газопроводах.

О разработке новой технологии изготовления стальных труб большого диаметра для магистральных газопроводов рассказал дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, президент Академии наук УССР, директор Института электросварки имени Е. О. Патона АН УССР академик Борис Евгеньевич Патон.

По материалам журнала «Наука и жизнь», № 2, 1981 г.

В начало



Как вылечить псориаз, витилиго, нейродермит, экзему, остановить выпадение волос